第385次香山科学会议聚焦自组装本质规律研究

2011-2-11 09:18 来源: 科学时报
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  自组装是超分子科学最关键的问题之一。自组装是组装基元通过分子间相互作用自发地形成有序结构的过程,是创造新物质和产生新功能的重要手段。

  出席日前在京举行的以“功能超分子体系:多层次的分子组装体”为主题的第385次香山科学会议的中外专家指出,揭示自组装的本质和规律是当前自组装研究的迫切需求;尽管国内外自组装的研究取得了较快发展,但依然有许多问题亟待研究。

  构建新物质新功能的有效手段

  自组装研究的基本问题是揭示组装基元间分子间相互作用的本质和协同规律,在此基础上实现对自组装过程的调控,并制备具有特定功能的自组装体系。

  法国路易斯巴斯德大学Jean-Marie Lehn教授应邀到会作了主题评述报告。他在报告中指出,可用于自组装的构筑基元非常丰富,包括有机分子、合成高分子、生物大分子、离子、胶体粒子、超分子及聚合物等,涉及化学、物理、材料以及生命科学等诸多领域,被认为是解决材料、能源、健康与环境等当前人类发展面临的主要挑战的希望所在。由于自组装的本质在于各种分子间的相互作用,因此自组装材料具有可逆、自适性甚至自修复的特征,可在环境友好的条件下形成和循环;此外,利用自组装形成的特殊超分子结构,再结合化学合成还可能制备常规化学合成无法实现的材料等。

  发展新型的组装基元,创造多种多样的自组装体系一直是自组装研究的重点之一;它既可为理论研究提供模型,又可为功能研究提供相应的材料。从自组装研究的历史来看,每一种新的、功能独特的组装基元的出现和使用都推动着自组装研究迈上一个新台阶。也正是基于这些组装基元和组装体系的研究,才导致分子识别、协同效应等概念的提出,并丰富自组装研究的范畴。由于自组装体一般在纳米尺寸,因此自组装也是制备纳米结构和器件的重要手段;同时自组装的构筑基元丰富多样,不仅可以是合成有机小分子,还可以是无机分子、合成高分子、生物大分子、胶体颗粒及纳米粒子等,甚至可以利用超分子聚集体作为基元进行高层次组装。

  与会专家认为,实现对自组装过程的调控是当前自组装研究的难点,也是自组装发展的突破点。虽然从根本上实现对自组装过程的调控是科学家们的梦想,但目前调控的策略与手段还相当匮乏,因此发展可控自组装方法,对于实现自组装体的功能至关重要。目前,我国科学家通过各种调节手段,如光、pH值、氧化还原、生物酶以及主客体相互作用等,已在超分子表面活性剂组装行为研究方面取得进展。

  引领生物医学技术创新

  生物自组装是自组装的最高形式。自然界的一切生命以及相关功能都是分子通过多重弱相互作用协同,以非常精密、准确和程序化可控的方式自组装而实现的,并能够实现对多种刺激的响应,实现复杂的功能。开展模拟生物自组装研究,将有利于实现复杂功能组装体系的构建,获得类生物功能的化学体系。

  专家认为,自组装是生命活动的根本,开展生物和仿生自组装研究将从源头上提供调控生命过程的新方法和新工具,包括发展基因芯片等在内的新一代高灵敏度、高特异性检测技术,提供新型智能载药体系和获得具有更好生物相容性的材料等,并由此引领生物医学技术的创新。如基于对DNA碱基互补配对原则的充分认识,人们已经可以从分子水平设计并构建DNA的多层次组装体,包括核酸传感器、DNA分子马达、刺激响应性智能材料或DNA的各种维度组装体。通过对生物分子动态组装过程与驱动机制的研究,还将促进对生命过程的了解,开发高灵敏度、高选择性、低副作用的疾病诊疗手段,破解生命起源的奥秘。

  模拟生物组装已从最初的生物膜结构的模拟,发展到生物膜某些动态结构和功能的模拟以及利用生物特异性相互作用进行可控复杂体系的组装。许多人工构建的薄膜体系可用于研究界面和表面分子识别,并可作为生物输运的载体等。虽然生物模拟组装的灵感源于自然,但该领域的研究更在于创造。美国哈佛大学S. S. Mansy等人在实验室人工构筑出一种单细胞模型,这种模型能够自我复制和进化,已经具备了“生命”的基本特征。此外,模拟生物组装有望实现持续高效的光合成反应,在能源科学领域有着重要意义。

  揭示自组装本质和规律

  与会专家指出,当前无论是化学自组装体系的研究,还是生物演化过程的探索,都面临同一个问题,即如何理解和应用自组装的本质和规律。分子自组装的本质在于各种弱相互作用和协同效应,有关理论研究远不能满足实验研究的要求,尚无很好的理论能够指导实验研究。尽管分子自组装研究已取得一些重要进展,但目前的分子自组装方法多为一级静态组装,具有能量和物质交换的动态自组装尚处于初级研究阶段,构建复杂的功能组装体系仍是一项重大挑战。对分子组装过程的认识尚待深入,亟须发展可控的自组装方法,实现有限尺度的功能体系组装。分子自组装的发展应致力于结构构筑与功能组装相统一,虽然组装体的功能多种多样,但核心科学问题,即电子转移、能量传递和化学转换等问题亟待阐明。

  专家分析认为,虽然目前对组装基元的研究范围很广,但可控自组装基元的研究尚须加强;尽管对自组装体结构和性质的研究较多,但对组装本质和规律的认识较少,特别缺乏自组装的系统理论;对组装体结构的表征研究较多,但缺乏组装过程的表征方法;以基础性研究为主,功能导向的研究较少;从化学和材料的角度研究较多,与物理、生命科学的交叉尚待加强,因此揭示自组装的本质和规律是当前分子自组装研究的迫切需求。

  “复杂超分子体系的研究是分子自组装未来研究的目标之一。自组装的研究只有从单一体系发展到多元体系、从单一层次发展到多层次、从静态发展到动态、从不可控发展到可控、从模型体系发展到功能材料,才能推动源头创新,实现自组装研究的突破性发展。”Jean-Marie Lehn说。